基于CPLD的USB总线读写控制功能实现(2)

图3两种U盘的Mode sense命令返回参数
以上两种方式均在硬件平台上成功实现。比较可知，方案一采取简单的破坏数据输出的方式，实现起来相对容易，但输出失败的数据势必会在下次自动重新试传，这样弹出错误窗口会有时间延迟，且对配置稍低的PC机而言，这种延时比较明显；方案二采取修改Mode sense返回参数的方式，直接将U盘设定为禁止写入的设备，这样在后续的数据传输时反应较快。考虑到实际使用效果，本设计选取第二种方案，本文也主要介绍基于该方案的实现。
2.2传输过程分析
USB总线采用差分传输方式，USB2.0共有4条线，分别是

、D-、D+和GND。当D+、D-为不同电平时，有J、K两种状态；当D+、D-都为低电平时，称之为SE0状态。数据在总线上传输之前，会先进行NRZI编码。因此，在检测总线数据之前，也需进行NRZI解码。
2.2.1 包和事务
USB2.0协议规定了四种传输类型，分别是控制传输、同步传输、批量传输和中断传输。数据在ＵＳＢ总线上传输的基本单位是包。不论何种包，都以同步域开始，紧跟着一个8位包标识符PID，最终以包结束符EOP结束。以数据包为例，它由一个同步域开始，紧跟着是PID，后面跟着n个字节的数据，然后是16位CRC校验码，最后是EOP。

图4 数据包的结构
一个事务通常由两个或者三个包组成：令牌包、数据包和握手包。令牌包用来启动一个事务，总是由主机发送；数据包用于在主机和设备之间传输数据，传输方向由令牌包来指定；当接收方正确接收数据后，发送握手包。控制传输包括三个过程：建立过程、数据过程和状态过程，其中建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含多个事务。
2.2.2 仅批量传输
在仅批量传输协议中，规定了数据传输的结构和过程，共分成三个阶段：命令阶段、数据阶段和状态阶段。命令阶段由主机通过批量端点发送一个CBW（命令块封包）的结构，在CBW中定义了要操作的命令以及传输数据的方向和数量。CBW的结构参见文献[4]，其中dCBWSignature为CBW的标志，长度为32位，即0x55、0x53、0x42、0x43。当检测到一个包的起始序列为0x55、0x53、0x42、0x43时，即表明该包为CBW；另外，CBW中CBWCB表示需要执行的命令，若为0x1a，即表示Mode sense命令。
与CBW类似，命令状态封包CSW的结构参见文献[4]，其标志dCSWSignature为0x55、0x53、0x42、0x53。
一次完整的仅批量传输过程如下：

命令阶段	令牌包	主机发送
	数据包（CBW）	主机发送
	握手包	U盘应答
数据阶段	令牌包	主机发送
	数据包（包含写保护信息位）	U盘返回
	握手包	主机应答
状态阶段	令牌包	主机发送
	数据包 (CSW)	U盘返回
	握手包	主机应答

2.2.3 返回参数的截取及修改
对全速模式的USB2.0传输而言，每个包都由同步域开始，即连续的“00000001”二进制字符串，在数据传输中同步字符串是独特的，因此利用序列检测即可确定每个包的开始时刻。由于同步字节后即为一个字节的PID，同样利用序列检测到的PID即可确定该PID的类型，从而确定该包的作用。当确定该包为主机发送的令牌包后，则对下一个包的起始序列进行检测。若为CBW的起始序列0x55、0x53、0x42、0x43，则表明该包即为CBW。继续检测其第15字节的CBWCB，若为0x1a，即为Mode sense命令。在数据阶段的数据包开始后，从PID结束开始的第24位起将两根差分总线全部取反，直至包结束（EOP不能取反）。
2.3 Verilog HDL程序模块
利用Verilog HDL编程实现上述功能，首先按模块搭建框图。由于篇幅所限，在此仅给出程序框图，如图5所示。

图5 Verilog HDL程序框架

3 测试
按图2所示，将一个原本可读写的普通U盘经USB总线控制器后转接到PC机USB接口上进行测试发现，对U盘中的文件均能够进行正常读取，且无法对U盘进行任何写入操作，说明该USB总线控制器很好的实现了其功能，达到了设计目的。将PC机文件数据输出的U盘涉及到的操作主要有：将PC机中文件复制到U盘中、修改U盘盘符、在U盘中创建新的文件、修改或重命名U盘中的文件、删除U盘中的文件等。
4 结语
基于CPLD的USB总线读写控制器从硬件上实现了数据从U盘向PC机的单向拷贝，同时自动阻止PC机中的文件以任何方式输出到U盘。对涉密单位而言，采用此设备，与传统的依靠光盘传递数据相比，不仅省去了刻盘的麻烦，也节约了成本。

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